库与接口

• 库与程序文件
  程序文件：源文件（* .cpp）和 头文件（* .h、* .hpp、*）
  库：包括源文件与头文件，库不会独立运行，不需要为它编写main函数，使用库需要提供接口
• 接 口
  通过接口使用库：包括指定库的头文件与源文件
  优势：不需了解库的具体实现细节，只需了解库的使用方法
• 标准库
  C标准库：标准输入输出库、工具与辅助函数库、字符串库
  C++标准库：输入输出流库、字符串库、标准模板库
• 数学库
  头文件：math.h/cmath
  库文件：libm
  链接方式：g++ -lm main.cpp
• 数学函数
  三角函数与反三角函数系列
  幂函数与对数函数系列
  其他数学函数
• 标准辅助函数库
  工具与辅助函数
  头文件：stdlib.h/cstdlib
  常用函数
  void exit( int status );
  void free( void * p );
  void * malloc( size_t size );
  int rand();
  void srand( unsigned int seed );

随机数库

• 随机数的生成

编写程序，调用 rand 函数生成五个随机数（一）
#include <iostream>
#include <cstdlib>
using namespace std;
int main()
{int i;
cout << "On this computer, the RAND_MAX is: " << RAND_MAX << ".\n";
cout << "Five numbers the rand function generates as follows:\n";
for( i = 0; i < 5; i++ )
cout << rand() << endl;
cout << endl;
return 0;
}

Output1:
On this computer, the RAND_MAX is: 2147483647.
Five numbers the rand function generates as follows:
1804289383
846930886
1681692777
1714636915
1957747793Output2:
On this computer, the RAND_MAX is: 2147483647.
Five numbers the rand function generates as follows:
1804289383
846930886
1681692777
1714636915
1957747793可以看出通过这个方式生成的随即数其实并不是随机的，触发随机数的初始值是一样的

编写程序，调用 rand 函数生成五个随机数（二）
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
using namespace std;
int main()
{int i;
cout << "On this computer, the RAND_MAX is: " << RAND_MAX << ".\n";
cout << "Five numbers the rand function generates as follows:\n";
srand( (int)time(0) );          //调用一次，确保触发随机数的初始值不一样
for( i = 0; i < 5; i++ )
cout << rand() << endl;
cout << "\n";
return 0;
}

Output1:
On this computer, the RAND_MAX is: 2147483647.
Five numbers the rand function generates as follows:
1160253025
2061887090
750313937
1344018521
551740390Output2:
On this computer, the RAND_MAX is: 2147483647.
Five numbers the rand function generates as follows:
332333374
272865263
1858799826
198624662
2079768438

关于rand() 和srand()详细用法请点击C/C++ 随机函数rand()和srand()的用法

• 库的设计原则
  用途一致：接口中所有函数都属于同一类问题
  操作简单：函数调用方便，最大限度隐藏操作细节
  功能充足：满足不同潜在用户的需要
  性能稳定：经过严格测试，不存在程序缺陷
• 随机数库接口
  设计随机数接口
  能生成指定范围内的随机数

void Randomize();
int GenerateRandomNumber( int low, int high );
double GenerateRandomReal( double low, double high );

• 随机数库实现

random.h
void Randomize();
int GenerateRandomNumber(int low,int high);
int GenerateRandomReal(double low,double high);

random.cpp
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
using namespace std;
void Randomize(){srand((int)time(0));
}int GenerateRandomNumber( int low, int high )
{double _d;if( low > high ){cout << "GenerateRandomNumber: Make sure low <= high.\n";exit( 1 );}_d = (double)rand() / ((double)RAND_MAX + 1.0);return (low + (int)(_d * (high - low + 1)));
}
double GenerateRandomReal( double low, double high )
{double _d;if( low > high ){cout << "GenerateRandomReal: Make sure low <= high.\n";exit( 2 );}_d = (double)rand() / (double)RAND_MAX;return (low + _d * (high - low));
}

main.cpp
#include<iostream>
#include"random.h"
using namespace std;int main(){int i;Randomize();for (i=0;i<8;i++){int t = GenerateRandomNumber(10,99);cout << t << "; ";}cout << endl;for (i=0;i<8;i++){double d = GenerateRandomReal(10.0,99.0);cout << d << "; ";}cout << endl;}

Output1:
55; 20; 67; 76; 64; 29; 32; 63;
5.348e+08; 1.78999e+09; 1.94796e+07; 1.09422e+09; 9.88647e+08; 1.90095e+09; 1.10179e+09; 1.00094e+09; Output2:
39; 77; 14; 58; 46; 70; 35; 92;
8.42874e+08; 7.16967e+07; 1.64991e+09; 6.68597e+08; 1.45377e+09; 1.05071e+09; 7.82723e+08; 1.70379e+09;

• 随机数库测试
  单独测试库的所有函数
  合法参数时返回结果是否正确
  非法参数时返回结果是否正确，即容错功能是否正常
  联合测试
  多次运行程序，查看生成的数据是否随机
  测试整数与浮点数随机数是否均能正确工作

作用域与生存期

量的作用域与可见性

• 作用域与可见性
  作用域：标识符的有效范围
  可见性：程序中某个位置是否可以使用某个标识符
  标识符仅在其作用域内可见
  位于作用域内的标识符不一定可见
• 局部数据对象
  定义于函数或复合语句块内部的数据对象（包括变量、常量与函数形式
  参数等）
  局部数据对象具有块作用域，仅在定义它的块内有效
  有效性从定义处开始直到该块结束
  多个函数定义同名的数据对象是允许的，原因？

int func( int x, int y )
{int t;
t = x + y;/* 单独出现的花括号对用于引入嵌套块 */
{/* 允许在块中定义数据对象，作用域仅限本块 */int n = 2;cout << "n = " << n << endl;
}return t;
}

• 全局数据对象
  定义于函数或复合语句块之外的数据对象
  全局数据对象具有文件（全局）作用域，有效性从定义处开始直到
  本文件结束，其后函数都可直接使用
  若包含全局数据对象定义的文件被其他文件包含，则其作用域扩展
  到宿主文件中，这可能会导致问题，为什么？
  不要在头文件中定义全局数据对象
• 函数原型作用域
  定义在函数原型中的参数具有函数原型作用域，其有效性仅延续到
  此函数原型结束
  函数原型中参数名称可以与函数实现中的不同，也可以省略

1 int i; /* 全局变量 i 作用域开始，可见 */2 int func( int x );
3 int main()
4 {5   int n; /* 局部变量 n 作用域开始，可见 */
6   i = 10; /* 全局变量 i 有效且可见 */
7   cout << "i = " << setw(2) << i << "; n = " << n << endl;
8   n = func( i );
9   cout << "i = " << setw(2) << i << "; n = " << n << endl;
10 } /* 局部变量 n 作用域结束，不再可见 */11 int n; /* 全局变量 n 作用域开始，可见 */
12 int func( int x ) /* 形式参数 x 作用域开始，可见 */
13 {14  i = 0; /* 全局变量 i 有效且可见 */
15  cout << "i = " << setw(2) << i << "; n = " << n << endl;
16  n = 20; /* 全局变量 n 有效且可见 */
17  { /* 嵌套块开始 */
18      int i = n + x; /* 局部变量 i、x 有效可见；全局变量 n 有效可见；全局变量 i 有效不可见 */
19      cout << "i = " << setw(2) << i << "; n = " << n << endl;
20  } /* 局部变量 i 作用域结束，全局变量 i 有效且可见 */
21  return ++i;
22 } /* 局部变量 x 作用域结束，不再可见 */23 /* 文件结束，全局变量 i、n 作用域结束 */

量的存储类与生存期

• 生存期：量在程序中存在的时间范围
  C/C++ 使用存储类表示生存期
  作用域表达量的空间特性，存储类表达量的时间特性
• 静态（全局）生存期
  全局数据对象具有静态（全局）生存期
  生死仅与程序是否执行有关
• 自动（局部）生存期
  局部数据对象具有自动（局部）生存期
  生死仅与程序流程是否位于该块中有关
  程序每次进入该块时就为该对象分配内存，退出该块时释放内存；
  两次进入该块时使用的不是同一个数据对象
• static 关键字
  修饰局部变量：静态局部变量
  使局部变量具有静态生存期
  程序退出该块时局部变量仍存在，并且下次进入该块时使用上一次
  的数据值
  静态局部变量必须进行初始化
  不改变量的作用域，仍具有块作用域，即只能在该块中访问，其他
  代码段不可见
  修饰全局变量
  使其作用域仅限定于本文件内部，其他文件不可见
• 静态局部变量示例

检查下述程序的输出结果
#include <iostream>
using namespace std;
int func( int x );
int main()
{int i;
for( i = 1; i < 4; i++ )
cout << "Invoke func " << i << " time(s): Return " << func(i) << ".\n";
return 0;
}
int func( int x )
{static int count = 0; /* 定义静态局部变量count，函数结束后仍存在 */
cout << "x = " << x << ".\n";
return ++count;
}

函数的作用域与生存期

• 所有函数具有文件作用域与静态生存期
  在程序每次执行时都存在，并且可以在函数原型或函数定义之后的
  任意位置调用
• 内部函数与外部函数
  外部函数：可以被其他文件中的函数所调用
  内部函数：不可以被其他文件中的函数所调用
  函数缺省时均为外部函数
  内部函数定义：使用 static 关键字
  内部函数示例：static int Transform( int x );
  内部函数示例：static int Transform( int x ){ … }

声明与定义

• 声明不是定义
  定义在程序产生一个新实体
  声明仅仅在程序中引入一个实体
• 函数的声明与定义
  声明是给出函数原型，定义是给出函数实现代码
• 类型的声明与定义
  产生新类型就是定义
  类型定义示例：typedef enum __BOOL { FALSE, TRUE } BOOL;
  不产生新类型就不是定义，而仅仅是声明
  类型声明示例： enum __BOOL;
• 全局变量的作用域扩展
  全局变量的定义不能出现在头文件中，只有其声明才可以出现在头文件中
  声明格式：使用 extern 关键字

 库的头文件
/* 此处仅引入变量 a，其定义位于对应源文件中 */
extern int a; /* 变量 a 可导出，其他文件可用 */库的源文件
/* 定义变量 a */
int a;

典型软件开发流程

软件工程概要

• 需求分析：确定软件需要解决什么问题
  决定因素：人
  软件开发人员需要与用户深入交流，明确问题的输入、输出以及其他附加信息
  不要轻视任何问题
  方案设计：设计程序框架
  概要设计：设计总体方案，形成高层模块划分
  详细设计：细化模块，获得各模块的输入、输出与算法
  编码实现：实际编程
  系统测试：测试程序的正确性与稳定性
  经验总结
• 软件开发流程图
  

问题的提出

• 软件开发问题
  我猜！我猜！我猜猜猜！
  编程实现一个简单的猜价格游戏
  假设有某物品，已知其最低价格与最高价格
  游戏参与者在给定次数内猜测其价格具体值

需求分析

• 需求A：游戏运行前首先应向游戏参与者介绍游戏功能
• 需求B：首期工程不需要解决游戏难度问题，用户迫切希望程序能在最短时间内运行起来，因此只考虑最简单情形
• 需求C：在每个游戏回合结束时允许用户选择是否重新开始新游戏，这里游戏回合是指游戏参与者或者猜中价格或者其猜测机会已用完，如果用户没有选择退出，游戏应无休止地玩下去
• 需求D：能够记录游戏参与者的游戏信息，目前仅统计用户玩了多少回合以及赢了多少回合
• 需求E：在用户退出游戏时，给出此次游戏胜率
• 不明确的地方：什么是最简单情形？与用户再次沟通……
  需求B1：设物品最低价格为100元，最高价格为200元
  需求B2：物品实际价格由系统运行时随机生成
  需求B3：游戏参与者最多允许猜6次
  需求B4：若游戏参与者猜测价格比实际价格高，则程序提示“高”；
  若猜测价格比实际价格低，提示“低”
• 用户补充需求
  需求F：需要定义游戏初始化过程，未来有可能通过它调整游戏难度，
  程序必须为此提供接口

概要设计

• 响应需求 A、E、F
  将游戏划分为四个模块：欢迎信息显示模块、游戏初始化模块、游戏模块、游戏结束模块
  程序架构：主文件“main.cpp”，程序主体函数库“guess.h”与“guess.cpp”；此外需要使用 random 库
  设计函数原型
  胜率信息需要从游戏模块传递给游戏结束模块
  编码实现：guess.h

void PrintWelcomeInfo();void InitializeGame();double PlayGame();void PrintGameOverInfo( double prevailed_ratio );

• 响应需求 C
  使用无限循环作为游戏模块的主架构：初始化游戏回合，进行游戏回
  合，判断游戏参与者是否开始新游戏回合
• 响应需求 B2
  每一回合需要随机生成物品价格，应在游戏回合初始化阶段完成抽象出单独的游戏回合初始化函数，返回值为初始化的物品价格（整数类型） int InitializeBout();
• 响应需求 D
  游戏参与者的回合数与获胜回合数：使用整数类型保存，游戏开始时
  初始化为 0，并随着游戏进程变化
• 游戏回合活动分析
  将每一回合游戏抽象成函数，函数返回值为 bool，表示该游戏回合游戏参与者是否获胜 bool PlayBout();
• 判断用户是否进入下一回合
  bool Again(); Again函数负责在 PlayGame 函数中充当哨兵，在返回值为 false 时退出游戏
• 响应需求 B1、B3：数据初始化工作

const int lowest_price = 100;
const int highest_price = 200;
const int guess_count = 6;

详细设计

• 响应需求 B4：细化 PlayBout
  在给定猜测次数内接受游戏参与者的输入价格，判断与实际价格是否相同，如果不同则给出提示信息，如果相同则恭喜游戏参与者获胜
  但是……
  需求 G：一旦游戏参与者给出了猜测价格，当该价格或高或低时，提示游戏参与者的信息应能够相应缩小价格区间以反映此变化
• 响应需求 G：修改 PlayBout 函数，添加参数

bool PlayBout( int actual_price, int lower_price, int
higher_price, int chances_left );

• 欢迎信息模块设计
  要求：将游戏性质与游戏方法告诉游戏参与者，系统应尽可能输出详细信息，例如物品最低价格、最高价格与猜测次数都应通知游戏参与者

伪代码
void PrintWelcomeInfo()
{输出程序性质信息
物品最低价格、最高价格与猜测次数一并输出
}

• 游戏初始化模块设计
  要求：不知道

伪代码
void InitializeGame()
{}

• 游戏结束模块设计
  要求：如果能够在游戏结束模块不仅输出游戏参与者胜率，还针对其胜率高低输出不同鼓励信息就好了
  需求 H：当游戏参与者胜率超过75%（含）时，输出“You luckyyyyyyyyyyyyy!”；
  当胜率低于75% 但超过50%（含）时，输出“So gooooooood.”；
  其他输出“You can do it better. Wish you luck.”

伪代码
void PrintGameOverInfo( double prevailed_ratio )
{输出百分制胜率
根据胜率分别输出不同信息
}

• 游戏模块细化

伪代码
double PlayGame()
{while( true ){调用 InitializeBout 获得实际价格调用 PlayBout 启动游戏回合如果游戏回合结束后结果为 true，递增获胜回合数递增总回合数调用 Again，若结果为 false，终止游戏，否则继续}
返回最终胜率
}

• 游戏回合初始化与游戏初始化模块细化

伪代码
int InitializeBout()
{调用 GenerateRandomNumber 函数
并返回其结果
}
void InitializeGame()
{调用 Randomize 函数启动随机数发生器
}

• 游戏回合模块细化

需求 I：如果游戏参与者给出的猜测价格不在当时价格范围内，应提醒用户重新提供新价格，此次操作不应递减用户猜测次数，以防止用户输入错误，也就是说，需要检查猜测价格的合法性
需求 J：当最后一次机会也未猜中价格时，不需要再输出提示价格高低信息，直接输出用户本回合失败信息，并将实际价格告诉用户

bool PlayBout( int actual_price, int lower_price, int higher_price, int chances_left ){while( 还有猜测机会 ){获得游戏参与者猜测价格，检查游戏参与者猜测价格是否在给定范围
递减游戏参与者猜测机会
判断猜测价格高低
switch( 判断结果 ){case 高了:
if( 还有猜测机会 ){ 输出价格高了信息，降低最高价格值，缩小猜测区间 }
else{ 输出失败信息与物品实际价格，结束函数，返回本回合失败值 false }
break;
case 低了:
if( 还有猜测机会 ){ 输出价格低了信息，增大最低价格值，缩小猜测区间 }
else{ 输出失败信息与物品实际价格，结束函数，返回本回合失败值 false }
break;
default:
输出游戏参与者获胜信息，结束函数，返回 true
}
}
程序流程至此，说明游戏参与者本回合已失败，返回 false
}

• 进一步细化游戏回合函数
  抽象三个辅助函数
  获得游戏参与者猜测价格：
  int GetPrice( int lower_price,int higher_price, int chances_left );
  检查游戏参与者猜测价格是否在给定范围：
  int CheckPrice( int lower_price, int higher_price, int guess_price );
  判断猜测价格高低：
  int JudgePrice( int actual_price, int guess_price );

int GetPrice( int lower_price, int higher_price, int chances_left )
{输出提示信息，包括最低价格，最高价格与剩余猜测次数
获取猜测价格并返回
}
int CheckPrice( int lower_price, int higher_price, int guess_price )
{while(猜测价格小于最低价格或高于最高价格){通知游戏参与者猜测价格超出范围，提醒用户重新输入新价格
获取新猜测价格
}
返回新猜测价格
}
int JudgePrice( int actual_price, int guess_price)
{获得猜测价格与实际价格之差
if(差值大于0) return 1; else if(差值小于0) return -1; else return 0;
}

• 细化 Again 函数

伪代码
bool Again()
{询问游戏参与者是否开始新游戏
获取游戏参与者的响应
判断游戏参与者的响应是否为数字 0
如果真，返回 false，即将上述返回值取反返回
}

编码实现

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include "random.h"
#include "guess.h"
using namespace std;
const int lowest_price = 100;
const int highest_price = 200;
const int guess_count = 6;
static int InitializeBout();
static bool PlayBout(int actual_price, int lower_price, int
higher_price, int chances_left);
static bool Again();
static int GetPrice(int lower_price, int higher_price, int
chances_left);
static int CheckPrice(int lower_price, int
higher_price, int guess_price);
static int JudgePrice(int actual_price, int
guess_price);
void PrintWelcomeInfo()
{cout << "The program lists a product with price between "
<< lowest_price << " and " << highest_price << " (RMB Yuan).\n";
cout << "You give a guess price. If the price you give is "
<< "correct, you win.\n";
cout << "You have " << guess_count << " chances.\n";
cout << "Rise to the challenge to win your bonus...\n";
}
void InitializeGame()
{int i, n;
Randomize();
}
double PlayGame()
{int actual_price, lower_price = lowest_price, higher_price = highest_price;
int chances_left = guess_count;
int bout_count = 0, prevailed_bout_count = 0;
while(true)
{cout << endl;
actual_price = InitializeBout();
if(PlayBout(actual_price, lower_price, higher_price, chances_left))
prevailed_bout_count++;
bout_count++;
if(!Again())
break;
}
return (double)prevailed_bout_count / (double)bout_count;
}
void PrintGameOverInfo(double prevailed_ratio)
{cout << "\nprevailed ratio: " << setw(3) << prevailed_ratio * 100 << "%.\n";
if(prevailed_ratio >= 0.75)
cout << "You luckyyyyyyyyyyyyy!\n\n";
else if(prevailed_ratio >= 0.50)
cout << "So gooooooood.\n\n";
else
cout << "You can do it better. Wish you luck.\n\n";
}
static int InitializeBout()
{return GenerateRandomNumber(lowest_price, highest_price);
}
static bool PlayBout(int actual_price, int lower_price, int higher_price, int chances_left)
{int guess_price;
int judge_result;
while(chances_left > 0){guess_price = GetPrice(lower_price, higher_price, chances_left);
guess_price = CheckPrice(lower_price, higher_price, guess_price);
chances_left--;
judge_result = JudgePrice(actual_price, guess_price);
switch(judge_result){case 1:
if(chances_left > 0){ cout << "\nHigher.\n"; higher_price = guess_price - 1; }
else{ cout << "\nYou lose this bout. The actual price is " << actual_price << endl; return false; }
break;
case -1:
if(chances_left > 0){ cout << "\nLower.\n"; lower_price = guess_price + 1; }
else{ cout << "\nYou lose this bout. The actual price is " << actual_price << endl; return false; }
break;
default: cout << "\nYou winnnnnnnnnnnnnnnn!\n"; return true;
}
}
return false;
}
static bool Again()
{int t;
cout << "\nPlay a new game (\"0\" to stop, other numbers to play again)? ";
cin >> t;
return t != 0;
}
static int GetPrice( int lower_price, int higher_price, int chances_left )
{int t;
cout << "The actual price is in [" << lower_price << ", " << higher_price << "]. ";
cout << "Chances left " << chances_left << ".\nYou guess: ";
cin >> t;
return t;
}
static int CheckPrice( int lower_price, int higher_price, int guess_price )
{int t = guess_price;
while( t < lower_price || t > higher_price )
{cout << "Guess price " << t << " is out of the range. ";
cout << "Please choose one in [" << lower_price << ", " << higher_price
<< "].\nTry again: ";
cin >> t;
}
return t;
}
static int JudgePrice( int actual_price, int guess_price )
{int t = guess_price - actual_price;
if(t > 0) return 1; else if(t < 0) return -1; else return 0;
}

系统测试

• 所有数据对象是否已正确初始化？
  随机生成的价格是否合理有效？测试过程可能需要在源程序中添加必要的测试代码，例如：

double PlayGame()
{……
actual_price = InitializeBout();
#ifndef NDEBUG
cout <<"Debugging: Actual price = " << actual_price << endl;
#endif
……
}

• 检查游戏回合运行是否准确
  参数传递是否准确？
  获取的猜测价格是否与游戏参与者的实际输入吻合？
  价格有效性检查是否正确工作？分别输入准确值、高于最高价格
  值与低于最低价格值，查看程序运行结果
  价格判断是否正确运行？
  猜测次数的控制与显示是否准确反映了用户猜测过程的变化？
  提示信息是否准确显示？
  在显示未猜中信息时，是否最后一次与其他次不同？
• 判断开始新游戏的过程是否准确
• 检查胜率计算是否准确
• 检查胜率百分比的计算与显示是否准确
• 不同鼓励语是否显示准确
  测试必须覆盖三类可能胜率
  测试人员试玩游戏，得到三种不同胜率结果

经验总结

• Q：这个问题一开始大家认为它难不难？
  A：不难。
• Q：程序设计难不难？
  A：难，如果要程序员从系统分析、方案设计开始做起的话。
• Q：编码难不难？
  A：不难，与系统分析与设计相比编码实在简单，不过就是使用了所有代码控制结构和函数编写原则而已。
• Q：和用户交流烦不烦？
  A：烦！

编程实践

• 编写函数，返回1～52之间的随机数。
• 可以将上题生成的随机数模拟为不含大小王牌的扑克牌。编写函数，重复生成52个随机数，并映射为每张扑克牌。说明：重复生成的典型原则是按照花色（梅花、方块、红桃、黑桃）和大小（2～10、J、Q、K、A）顺序进行映射，例如梅花2小于梅花3，……，梅花A小于方块2，……，黑桃K小于黑桃A。需要注意的是，一旦生成某张牌后，即不允许再次生成它，如何解决此问题？

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